CN209418771U - 一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其结构包括底层金属反射板，金属板上方具有介质基板和二氧化钒谐振单元依次层叠而成的四层结构单元。本实用新型通过多层结构和平面多尺寸结构的结合来实现频带拓宽，同时利用二氧化钒的相变特性，通过温度控制二氧化钒的电导率，以此实现对该吸波器的动态调谐。该吸波器具有易于加工、可温控调节、设计灵活等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种宽频电磁超材料吸波器，特别是一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，属于太赫兹器件技术领域。
背景技术
在如今科学技术快速发展的社会，对电磁技术普遍应用的同时，也让我们处在一个充斥着辐射的环境，产生了一定干扰。在日常生活方面，电磁干扰可以威胁到人们的身体健康，同时也对人们的日常通信、计算机、各种电子设备造成了一定危害。正因为吸波材料能够有效的削弱这些电磁辐射所产生的影响，从而减小或抑制对人们身体的伤害，因此，在许多国家对吸波材料的研究都有着及其重要的战略意义。超材料吸波体不仅可以非常容易地实现“完美”吸收，而且克服了传统吸波体很难实现阵列化、微型化的缺点。此外，超材料吸波体的性能主要依赖于最上层的金属周期结构，通过合理地设计其结构，所设计出来的超材料吸波体就可以在不论是高频还是低频上均可取得近乎“完美”的吸收，这为超材料在传感、探测、成像、通信等领域的广泛应用提供了可能。
一般超材料吸波器的主要吸收机理是谐振吸收，由此导致了吸收频带较窄，限制了其在某些方面的应用，这样就迫切需要设计出宽频的超材料吸波器来满足在某些方面的应用。当前，针对宽频化超材料吸波器的设计思路主要有多层的吸波器结构、平面多尺寸吸波器结构、加载集总元件吸波器结构等。本设计采用了多层结构和平面多尺寸结构的思路，利用不同吸收峰相互叠加来实现吸收频带拓展。每一层的谐振单元图案相同而大小不相同，每一个谐振结构响应电磁波就会产生一个谐振吸收峰，在多个工作频率处，利用多个吸收峰之间交叉重叠，从而达到宽频吸收的效果。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，通过外部温控转换二氧化钒谐振单元的介质、金属状态，从而达到对吸波器在特定频率区域范围内吸收率的调控的目的。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，包括底层金属反射板，所述金属反射板的上方为由介质基板和二氧化钒谐振单元间隔层叠而成的四层结构单元；所述四层结构单元从下至上依次为第一层介质基板、第二层二氧化钒谐振单元、第三层介质基板及第四层二氧化钒谐振单元；且两层二氧化钒谐振单元均由四个六边形谐振结构组成，每层中对角排列的六边形谐振结构尺寸相同。
本实用新型采用多层结构和平面多尺寸的方式扩宽频带，实现了该吸波器在太赫兹波段的宽带吸收，同时在吸波器中引入了二氧化钒谐振单元，利用二氧化钒的相变特性，通过外界温度的变化改变二氧化钒的电导率，以实现对于吸波器的动态调谐。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述六边形谐振结构包括一个正六边形环及所述正六边形环内部的四个呈中心对称的L形结构，所述L形结构的两边等长。
进一步的，所述第二层二氧化钒谐振单元中，左上方和右下方的六边形谐振结构的正六边形环外边长为12μm，内边长为11μm，L形结构的宽度为2μm，长度为4μm，对角线上两个L形结构之间距离右上方和左下方的六边形谐振单元结构的正六边形环外环边长为14μm，内环边长为13μm，L形结构的宽度为1μm，长度为5μm，对角线上两个L形结构之间距离
进一步的，所述第四层二氧化钒谐振单元中，左上方和右下方的六边形谐振结构的正六边形外环边长为13μm，内环边长为12μm，L形结构的宽度为1μm，长度为3μm，对角线上两个L形结构之间距离右上方和左下方的六边形谐振单元结构的正六边形环外环边长为14μm，内环边长为13μm，L形结构的宽度为1μm，长度为4μm，对角线上两个L形结构之间距离
进一步的，所述第二层二氧化钒谐振单元厚度为0.6μm，第四层二氧化钒谐振单元厚度为0.2μm。
进一步的，所述二氧化钒谐振单元具有两种状态，包括低温状态即T＝300K和高温状态即T＝350K；当处于低温状态时，表现为介质特性，实现双频点吸收；处于高温状态时，表现为金属特性，实现在1.63-3.86THz的宽带吸收。
进一步的，所述介质基板材料为有耗的聚酰亚胺，第一层介质基板边长为60μm，厚度为11μm，第三层介质基板边长为56μm，厚度为4μm。
进一步的，所述的底层金属反射板材料为金，厚度为0.1μm。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本实用新型是基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，通过不同吸收峰的叠加实现宽带吸收，同时通过外界温控对二氧化钒谐振单元的状态进行调控，使其在太赫兹波段的特定频率区域范围的吸收率可调，当电磁波入射时，通过温度调控获得可调谐的吸收频谱。
(2)本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现对太赫兹电磁波的宽带吸收，具有通俗易加工，可温度调控，设计灵活，功能性强等特点。
附图说明
图1为本实用新型第二层二氧化钒谐振单元结构示意图。
图2为本实用新型第四层二氧化钒谐振单元结构示意图。
图3为本实用新型的阵列(3×3)结构图。
图4为本实用新型的立体图。
图5为本实用新型的侧视图。
图6为本实用新型在TE模式电磁波垂直入射时的吸收曲线。
图7为本实用新型在TM模式电磁波垂直入射时的吸收曲线。
附图标记解释：3、5—二氧化钒谐振单元，2、4—介质基板，1—金属反射板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明
一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，可以通过外部温控方式对二氧化钒谐振单元的状态进行调控，从而达到在太赫兹波段特定频率区域范围吸收率可调的目的，所述的吸波器由结构单元周期排列而成。其结构单元包括底层金属反射板1、介质基板2、4以及二氧化钒谐振单元3、5。
所述的谐振单元由二氧化钒构成，通过对外部温度的控制转换二氧化钒谐振单元的状态，在低温即T＝300K时，二氧化钒谐振单元表现为介质特性，此时其电导率为200s/m,在高温即T＝350K时，二氧化钒谐振单元表现为金属特性，此时其电导率为200000s/m。
所述的介质基板2、4，材料为有耗的聚酰亚胺。
所述的金属反射板1，材料是金。
所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器的产生方法，该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的，电磁波垂直入射时，高温、低温状态下吸收效果的差异是由于二氧化钒谐振单元在高温下呈现金属特性、在低温下呈现介质特性引起的。两种状态相比较，高温状态时，该吸波器的吸收效果更好。
该吸波器的反射板，在不同频段所用反射板不同，如在微波波段反射面可用全金属板，如铜、铝等；而在太赫兹及光波以上频段，反射板可采用多层介质反射板(如光子晶体)或具有反射特性的人工结构阵列。
该吸波器，其介质基板还可以为人工合成的具有特定特性的介质，如通过溶液配比的方法得到的凝胶型(柔性)介质，再与柔性基板相结合可以用于共形实现宽频吸收。
所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器能够实现较好的吸波性能同时，通过温控的方式实现吸收频率的可调谐。
一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，由若干个谐振单元周期排列而成。其结构单元如图4所示，底层是完整的金属板，用于全反射，厚度h1为0.1μm，介质基板2边长p为60μm、厚度h2为11μm，介质基板4边长p1为56μm、厚度h4为4μm，二氧化钒谐振单元3、5厚度h3、h5分别为0.6μm、0.2μm,每层均由四个六边形谐振结构构成，其中同一层中位于对角线上的两个六边形谐振结构尺寸相同，每个六边形谐振结构都由一个正六边形环和其内部的中心对称的四个两边等长的“L”形结构构成，在第二层二氧化钒谐振单元3中，左上方和右下方的六边形谐振结构的正六边形环外边长r1为12μm，内边长r2为11μm，“L”形结构的宽度a为2μm，长度b为4μm，对角线上两个“L”之间距离f为右上方和左下方的六边形谐振单元结构的正六边形环外环边长r3为14μm，内环边长r4为13μm，“L”形结构的宽度c为1μm，长度d为5μm，对角线上两个“L”之间距离e为第四层二氧化钒谐振单元中，左上方和右下方的六边形谐振结构的正六边形外环边长r5为13μm，内环边长r6为12μm，“L”形结构的宽度g为1μm，长度h为3μm，对角线上两个“L”之间距离l为右上方和左下方的六边形谐振单元结构的正六边形环外环边长r7为14μm，内环边长r8为13μm，“L”形结构的宽度i为1μm，长度j为4μm，对角线上两个“L”之间距离k为具体参数见表1。
表1
如图6、7所示，是该吸波器在TE、TM模式下工作的吸收曲线，两条曲线基本重合，所以该吸波器对于入射的电磁波是极化不敏感的。工作时电磁波沿-z方向入射。由吸收率公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率由于底层是完整金属反射板，所以T(ω)＝0，故A(ω)＝1-R(ω)。图6是TE模式下吸波器的吸收曲线，高温状态下(T＝350K)，在频率1.63THz到3.86THz范围内，该吸波器的吸收率在90％以上，低温状态下(T＝300K),在9.75THz和9.81THz频点处吸收率大于90％，其余位置入射波损耗极小。因此，我们可以根据实际需求来选择工作状态，通过外部温控，实现对该吸波器工作频率的可调控性。
在经过特定设计(温度控制)后，本实用新型的工作频率能够覆盖整个太赫兹波段。主要吸收都是由二氧化钒构成的谐振单元引起，可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，本实用新型具有通俗易加工，可温度调控，设计灵活，功能性强等特点。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其特征在于：包括底层金属反射板，所述金属反射板的上方为由介质基板和二氧化钒谐振单元间隔层叠而成的四层结构单元；所述四层结构单元从下至上依次为第一层介质基板、第二层二氧化钒谐振单元、第三层介质基板及第四层二氧化钒谐振单元；且两层二氧化钒谐振单元均由四个六边形谐振结构组成，每层中对角排列的六边形谐振结构尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其特征在于：所述六边形谐振结构包括一个正六边形环及所述正六边形环内部的四个呈中心对称的L形结构，所述L形结构的两边等长。
3.根据权利要求2所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其特征在于：所述第二层二氧化钒谐振单元中，左上方和右下方的六边形谐振结构的正六边形环外边长为12μm，内边长为11μm，L形结构的宽度为2μm，长度为4μm，对角线上两个L形结构之间距离右上方和左下方的六边形谐振单元结构的正六边形环外环边长为14μm，内环边长为13μm，L形结构的宽度为1μm，长度为5μm，对角线上两个L形结构之间距离
4.根据权利要求2所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其特征在于：所述第四层二氧化钒谐振单元中，左上方和右下方的六边形谐振结构的正六边形外环边长为13μm，内环边长为12μm，L形结构的宽度为1μm，长度为3μm，对角线上两个L形结构之间距离右上方和左下方的六边形谐振单元结构的正六边形环外环边长为14μm，内环边长为13μm，L形结构的宽度为1μm，长度为4μm，对角线上两个L形结构之间距离
5.根据权利要求1所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其特征在于：所述第二层二氧化钒谐振单元厚度为0.6μm，第四层二氧化钒谐振单元厚度为0.2μm。
6.根据权利要求1所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元具有两种状态，包括低温状态即T＝300K和高温状态即T＝350K；当处于低温状态时，表现为介质特性，实现双频点吸收；处于高温状态时，表现为金属特性，实现在1.63-3.86THz的宽带吸收。
7.根据权利要求1所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其特征在于：所述介质基板材料为有耗的聚酰亚胺，第一层介质基板边长为60μm，厚度为11μm，第三层介质基板边长为56μm，厚度为4μm。
8.根据权利要求2所述的基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器，其特征在于：所述的底层金属反射板材料为金，厚度为0.1μm。
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